通过在高扭转角 Ψ = 10° 下直接使用疏水键合将晶圆连接在一起，在 Si(001) 接口中形成了纳米级的摩尔纹和位错网络

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Nanometric moiré and dislocation networks in a Si(001) interface obtained by direct hydrophobic bonding between wafers at high twist angle Ψ = 10°

【字体：大中小】 时间：2026年06月06日 来源：Materials Science in Semiconductor Processing 4.6

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　　L. Patout|C. Alfonso|F. Fournel|D. Mangelinck|N. Mangelinck-No?l法国马赛大学、土伦大学、法国国家科学研究中心（CNRS）IM2NP实验室摘要晶圆键合是包括微电子学在内的多种应用中的重要工艺。它还可以用于创建具有可控微

L. Patout|C. Alfonso|F. Fournel|D. Mangelinck|N. Mangelinck-No?l

法国马赛大学、土伦大学、法国国家科学研究中心（CNRS）IM2NP实验室

摘要

晶圆键合是包括微电子学在内的多种应用中的重要工艺。它还可以用于创建具有可控微观结构的界面，例如晶界。在本研究中，通过在硅薄膜和裸露的硅晶圆之间施加10°的扭转角，制备了一个界面位错网络。根据透射电子显微镜分析，该界面结构呈现出两种不同尺度的网络。首先，沿着薄膜[100]方向排列的直线位错线形成了一个平面网络，这些位错线之间的间距为60纳米。其次，高分辨率电子显微镜（HREM）图像显示出一个扭曲的纳米级摩尔纹网络，其原子单元与两个扭曲晶圆的<110>分割方向不对齐。在每个<110>方向上，原子基元的排列有所不同，有些基元呈现出折叠状。此外，该界面在其平面之外没有解离的位错，因此形成的二维（2D）微观结构与扭转角接近0°时形成的三维（3D）结构完全不同。然而，某些几何相似性（与HREM图像对双晶的计算相关）表明，在界面两侧的第一层原子中存在相对应变，这导致了摩尔纹单元边界处位错的排列。

引言

晶圆键合技术在微机电系统、光电子系统或半导体领域的集成电路封装中起着重要作用，最近也在微/纳流体装置中用于电子元件的冷却[1]。键合材料的宏观性能主要由从粘附到化学键合过程中在界面处发生的原子过程决定。在各种制造方法中，直接共价键合在创建同质/异质材料之间的突变界面或集成各种半导体材料方面占据重要地位[2]。单晶薄膜的批量制造也可以实现，从而生产出高质量的分层器件。然而，即使两个完全对齐的相同晶圆理论上可以产生一个无缺陷的键合晶圆，最微小的取向偏差也会在界面处形成位错网络[3]。实际上，两个接触的晶体之间可能发生两种类型的取向偏差（图1a）。在键合过程中会施加并测量一个围绕垂直于键合界面的n方向的扭转角Ψ。倾斜角θ是由于不可控的切割误差（误切）在初始表面上形成的台阶造成的，通常其精度不超过0.5°。根据不同的扭转角值，键合能会发生变化，从而产生类型和三维（3D）排列不同的界面缺陷。在完美的倾斜配置下，会形成边缘位错阵列；而在完美的扭转配置下，则会形成螺旋位错阵列。从简单的几何考虑来看，相同类型位错之间的距离D_d由Frank规则给出：

D_{d} = \frac{b}{2 \sin (\frac{Φ}{2})}

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D_{d} = \frac{b}{2 \sin ? (\frac{Φ}{2})}

其中b和Φ分别是Burgers矢量的大小和取向偏差角[4]。因此，基于不同角度值的扭转和倾斜相关界面缺陷（TWIDs和TIDs）对于补充实验数据以及理解晶圆键合和晶界领域的不同形成机制非常重要。

在本研究中，研究了对应于较大扭转角Ψ = 10°的位错网络。

章节摘录

晶圆键合

在标称扭转角Ψ = 10°下，对一个<001>绝缘体上的硅（SOI）基底和一个<001>体掺杂硅裸露晶圆进行了晶圆键合，两者的直径均为200毫米，厚度均为725微米（图1）。SOI基底由SOITEC制造，包含200纳米厚的热氧化层和100纳米厚的顶层硅薄膜。键合过程的不同阶段包括对初始表面的化学处理以及去除

位错网络的表征

为最终晶圆的不同区域准备的薄片具有相同的特性，因此代表了一个均匀的样本。在[001]方向轴上的平面视图薄片的低倍率BF图像（图2a）显示了间距为60纳米的平行直线位错。通过ED图案（图2b）确定了位错线的方向，并根据图像进行了旋转校准。这些线条遵循一个主要

讨论

在之前的工作中[5]，使用接近0°（Ψ = 0.27°）的扭转偏差角进行晶圆键合得到的界面位错网络模型显示了一个由a/2<110>分隔的螺旋位错段组成的方形图案，其间隔为d_TWID = 82纳米（图13a）。通过横截面分析表明，这些段（黄色）位于界面平面内，并分解为两个垂直于平面的段（红色）（图13b）。后者通过HREM分析被识别为Schockley部分位错

结论

通过使用10°的高扭转角在硅薄膜和裸露硅晶圆的[001]面之间进行疏水晶圆键合，并在氮气氛围中于1200°C下退火2小时，制备了一个二维（2D）界面位错网络。这种位错的排列与使用小扭转角得到的三维（3D）排列有很大不同。在我们的案例中，沿着薄膜的[100]方向生成了一组间距为60纳米的直线c边缘位错，而不是沿着分割向量

CRediT作者贡献声明

L. Patout：形式分析、研究、方法论、软件、验证、可视化、撰写——原始草稿。C. Alfonso：概念化、形式分析、资金获取、研究、方法论、项目管理、软件、监督、验证、可视化、撰写——原始草稿。F. Fournel：概念化、形式分析、研究、方法论、软件、监督、验证、可视化、撰写——原始草稿。D. Mangelinck：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

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